导图社区 生物化学与分子生物学——DNA损伤和损伤修复
人民卫生出版社 第九版《生物化学与分子生物学》第十三章 DNA损伤和损伤修复，包含DNA损伤、DNA损伤及其修复的意义、DNA损伤修复等。
这是一篇关于抑制蛋白质合成类抗生素作用机制概述的思维导图，主要内容包括：终止阶段（肽链释放和翻译终止），转位阶段（核糖体移位），肽键形成，解码阶段，起始阶段。
这是一篇关于影响免疫功能的药物的思维导图，主要内容包括：免疫抑制剂。对初次免疫应答反应抑制作用强，对再次免疫应答反应的抑制作用弱。
这是一篇关于抗真菌药的思维导图，主要内容包括：作用机制，唑类抗真菌药，概述。抗真菌药是指能抑制或杀灭真菌的药物。这类药物在医学领域具有广泛的应用，主要用于治疗由真菌引起的各种感染。
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第14章DNA的生物合成读书笔记
DNA损伤和损伤修复
DNA损伤
定义
各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化
两种后果
导致DNA的结构发生永久性改变，即为突变
导致DNA失去作为复制或转录的模板的功能
多种因素通过不同机制导致DNA损伤
体内因素
DNA复制错误
两种表现
碱基的错配
原因·
碱基的互构异变
四种dNTP之间的浓度的不平衡
片段的缺失或插入
特别是DNA上的短片段重复序列，在真核基因组上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象
DNA自身的不稳定性
地位
在DNA自发性损伤中，DNA结构自身的不稳定性是最频繁发挥作用的因素
DNA受热或所处环境的pH发生改变时
DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可以自发发生水解
导致碱基的丢失或脱落
脱嘌呤最为普遍
含有氨基的碱基可能自发发生脱氨基反应，转变为另外一种碱基
C转变为U
A转变为I（次黄嘌呤）
I相当于G，与C配对
机体代谢过程中产生的活性氧（ROS)
可以直接作用修饰碱基
举例
鸟嘌呤转变为8-羟基脱氧鸟嘌呤
体外因素
物理因素
最常见的是电磁辐射
电离辐射
作用原理
直接或间接引起被穿透组织发生电离，损伤DNA
α粒子、β粒子、X射线、γ射线等
两种作用表现
直接作用
电离辐射直接作用于DNA等生物大分子，破坏其分子结构（如：断裂DNA分子的化学键等），使DNA键断裂或者发生交联
间接作用
电离辐射还可激发细胞内的自由基反应，发挥间接作用，导致DNA分子发生碱基氧化修饰，破坏碱基环状结构，使其脱落
非电离辐射
紫外线（UV)和波长长于紫外线的电磁辐射
短波长影响更强，特别是260nm
特点
260nm左右的紫外线，其波长正好在DNA和蛋白质的吸收峰附近，容易造成DNA等生物大分子损伤
使得DNA分子中同一条链相邻的两个嘧啶碱基以共价键连接形成二聚体结构
如TT、CT、CC
二聚体的形成可以使DNA产生弯曲和扭结，影响DNA的双螺旋结构
使复制和转录受阻
二聚体使DNA发生链间交联或断裂（教材：紫外线导致的）
化学因素
自由基导致的DNA损伤
自由基的概念
能够独立存在，外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分子
羟自由基(氧化性)
氢自由基(还原性)
作用机理
自由基化学性质异常活跃，可与DNA分子发生反应，导致碱基、核糖和磷酸基的损伤
碱基类似物导致的DNA损伤
碱基类似物的概念
一般为人工合成
用途
抗癌药物或促突变剂
DNA合成时可取代正常碱基，导致碱基对的置换
5-溴化尿嘧啶（5-BU）
T的类似物
酮式
与A配对
烯醇式
与G配对
碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤
对碱基的某些基团进行修饰，改变被修饰碱基的配对，从而改变DNA结构
亚硝酸
烷化剂
氮芥
硫芥
二乙基亚硝胺
嵌入性染料导致的DNA损伤
溴化乙锭、吖啶橙
直接插入到DNA碱基对，导致碱基对距离增大，极易造成DNA双链错位。
往往引发核苷酸的缺失、移码或插入
生物因素
主要指病毒和霉菌
产物影响、整合产生DNA断裂等
DNA的损伤类型
从DNA的结构出发考虑DNA损伤因素作用的靶点
碱基
核糖
磷酸二酯键
碱基损伤与糖基破坏
碱基损伤
毒性分子对碱基的某基团进行修饰，改变其理化性质、破坏碱基的结构
亚硝酸等导致碱基脱氨
羟自由基使嘧啶碱基发生加成、脱氢等反应，导致碱基环破裂
氧化活性物质造成DNA中嘌呤或嘧啶碱基的氧化修饰（8-羟基脱氧鸟嘌呤或6-甲基尿嘧啶等）
糖基破坏
DNA 分子中的戊糖基的碳原子和羟基上的氢可与自由基反应，由此戊糖基的正常结构被破坏
在DNA链上形成一些不稳定点，最终导致DNA链的断裂
碱基之间发生错配
自发错配
最常见的是U代替T掺入DNA分子中
其他错配
碱基类似物的掺入
碱基修饰剂的作用
DNA链发生断裂
分类
单链断裂
双链断裂
一般认为这与细胞的致死性相关
诱因
DNA链断裂是电离辐导致DNA损伤的主要形式
某些化学毒剂也可导致DNA链断裂
碱基损伤和戊糖基破坏均是引起DNA断裂的原因
机理1
引起DNA双螺旋局部变性，形成酶敏感性位点，特异性的核酸内切酶能识别并切割这样的位点，造成DNA链的断裂
机理2
DNA链上受损碱基也可被另一种特异的DNA-糖苷酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（无碱基位点），这些位点在内切酶等的作用下可以造成DNA链的断裂
DNA链的共价交联
多种DNA交联形式
DNA链内交联
同一条链中的两个碱基以共价键结合
紫外线照射形成的嘧啶二聚体
链间交联
DNA分子一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合
DNA-蛋白质交联
DNA分子与蛋白质以共价键结合
可以导致DNA模板发生碱基置换、插入、缺失、链的断裂
碱基置换
置换方式的分类
转换（多见）
嘌呤置换嘌呤、嘧啶置换嘧啶
颠换（少见）
嘌呤置换嘧啶、嘧啶置换嘌呤
置换结果的分类
错义突变
发生氨基酸改变（改变氨基酸编码）
无义突变
形成新的终止密码子
沉默突变（同义突变）
氨基酸不变（不改变氨基酸编码）
碱基的插入或缺失
引起移码突变
DNA链的断裂
阻止RNA合成中链的延伸
DNA损伤及其修复的意义
DNA损伤具有双重效应
DNA损伤的生物学后果
给DNA带来永久性的改变，即突变，可能改变基因 的编码序列或者基因的调控序列
突变是生物进化的分子基础
DNA的这些改变使得DNA不能用作复制和转录的模 板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡
DNA损伤修复障碍与多种疾病有关
DNA损伤修复缺陷与肿瘤的发生密切关联
DNA损伤修复缺陷与遗传性疾病密切关联
DNA损伤修复缺陷与免疫性疾病密切关联
DNA损伤修复能力弱与生命衰老密切关联
生物多样性依赖于DNA突变与DNA修复之间的平衡
DNA损伤修复
纠正DNA两条单链之间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程
意义
机体维持DNA结构的完整性与稳定性
保证生命延续和物种稳定
修复途径
光复活途径
碱基切除修复
核苷酸切除修复
错配修复
重组修复
损伤跨越修复
有些DNA损伤可以直接修复
嘧啶二聚体的直接修复（光复活修复或光复活作用）
酶
DNA光裂合酶
作用部位
直接识别和结合与DNA链上的嘧啶二聚体部位
作用过程
在可见光（400nm)的激发下，光复活酶可将嘧啶二聚体解聚为原来的单体核苷酸形式，完成修复
主要在低等生物中，鸟类中也存在但不是主要修复方式，哺乳动物缺乏DNA光裂合酶
烷基化碱基的直接修复
烷基转移酶
将烷基从核苷酸直接转移到自身肽链上
修复DNA的同时自身发生不可逆的失活
单链断裂的直接修复
DNA连接酶
催化DNA双螺旋中一条链上缺口处的5’-磷酸基团与相邻片段3’-羟基之间形磷酸二酯键
适用情况
如电离辐射导致的DNA单链上的切口
切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式
抑癌蛋白p53在哺乳动物细胞中参与调控碱基切除修复
整个修复过程
①识别水解
DNA糖苷酶（特异性）
过程
DNA糖苷酶特异性识别DNA链中已经受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点
②切除
核酸内切酶
在此位点的5'-端，无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，同时去除剩余的磷酸核糖部分
③合成
DNA聚合酶
DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列
④连接
由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构
不识别具体的损伤，而是识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲
不同于碱基切除修复中对具体的损伤的识别
修复过程与碱基切除修复相似
①由一个酶系统识别DNA损伤部位
②在损伤部位两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸
③在DNA聚合酶的作用下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区
④由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构
临床
遗传性着色性干皮病（XP)
病因
DNA损伤核苷酸切除修复系统基因缺陷
人类的DNA损伤核苷酸切除修复过程
①由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位
XPB和XPD发挥解螺旋活性，与上述蛋白质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起
XPG与XPF发生构象改变，分别在凸起的3'-端和5'-端发挥核酸内切酶活性，在增值细胞核抗原（PCNA)的帮助下，切除并且释放受损的寡核苷酸
遗留的缺损区由DNA polδ或ε进行修补合成
由连接酶完成连接
能修复整个基因组的损伤
还能修复那些正在转录的基因模板链上的损伤
由RNA聚合酶承担起识别损伤部位的任务（与一般情况下不同）
称之为转录偶联修复
碱基错配修复
碱基切除修复的一种特殊形式
复制与重组中出现的碱基配对错误
因碱基损伤所导致的碱基配对错误
碱基插入
碱基缺失
修复中面临的主要问题
如何区分母链和子链
细菌
DNA特点
母链高度甲基化
主要是其腺嘌呤A发生的甲基化修饰
新合成的子链的A的甲基化修饰尚未进行
提示错配修饰应该在此链上进行
错配修复过程
①由MutS蛋白识别错配碱基
②由MutL和MutH等蛋白质协同相应的核酸外切酶，将包含错配点在内的一小段DNA水解、切除
③修补、连接
真核细胞错配修复机制
MSH2和MSH6的复合物可识别包括碱基错配、插入、缺失等DNA损伤
由MSH2和MSH3形成的蛋白质复合物主要识别碱基的插入与缺失
不像原核细胞那样以甲基化来区分母链和子链，可能是依赖修复酶与复制复合体之间的联合作用识别新合成的子链
DNA严重损伤时需要重组修复
DNA严重损伤的概念
DNA分子的双链断裂
概念
依靠重组酶系，将另一段未受损伤的DNA移到损伤部位，提供正确的模板，进行修复的过程
根据机制不同分类
同源重组修复（忠实性高）
参加重组的两段双链DNA在相当长的范围内序列相同（≥200bp)
大肠杆菌同源重组的分子机制
关键酶
RecA蛋白（重组酶）
是一个由352氨基酸残基组成的蛋白。多个 RecA单体在DNA上聚集，形成右手螺旋的核 蛋白细丝，细丝中具有螺旋凹槽，可以识 别和容纳DNA链。
在ATP存在的情况下， RecA可与损伤的DNA单链区结合，使DNA伸 展，同时RecA可识别一段与受损DNA序列相 同的姐妹链，并使之与受损DNA链并列排列， 交叉互补，并分别以结构正常的两条链为 模板重建损伤链
非同源末端连接重组修复
存在
哺乳动物
两段DNA链的末端不需要同源性就能相互替代连接
非同源末端连接重组修复的DNA链的同源性不高，修复的DNA序列中可存在一定的差异
参与过程的重要蛋白质
DNA依赖的蛋白激酶（DNA-PK)
结构
一种核内的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶
组成
一个分子量大约为465kD的催化亚基（DNA-PKcs)
介导DNK-PK的催化功能
一个能结合DNA游离端的杂二聚体蛋白Ku
可以与双链DNA的断端连接，促进双链断裂的重接
XRCC4
在DNA连接酶与组装在DNA末端的DNA-PK复合物相结合的过程中起中间体的作用
能与DNA连接酶形成复合物，增强连接酶的活力
跨越损伤DNA合成是一种差错倾向性DNA损伤修复
当双链DNA发生大范围损伤，损伤部位失去模板 作用，或者复制叉已经解开母链，致使修复系统无法通 过上述方式进行修复。此时细胞启动应急途径，通过跨 越损伤部位，先进行复制，再设法修复
重组跨越损伤修复
利用同源重组的方式，将DNA模板 进行重组交换，保证复制能够继续下去。
合成跨越损伤修复
DNA大范围受损时，DNA聚合酶 IV/V被诱导产生，并替换掉Pol-III，以随机方式插入核苷酸 是复制继续进行。跨越损伤部位后，Pol-III继续复制
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